数字控制器的直接设计方法

1.1计算机控制系统的控制过程是怎样的?计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：(1)实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。

(2)实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。

(3)实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。

1.2实时、在线方式和离线方式的含义是什么？(1)实时：所谓“实时”，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应并进行控制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。

(2)“在线”方式：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或“在线”方式。

(3)“离线”方式：若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计算机的控制，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，则叫做“脱机”方式或“离线”方式。

1.5计算机控制系统的特点是什么？微机控制系统与常规的自动控制系统相比，具有如下特点：a.控制规律灵活多样，改动方便b.控制精度高，抑制扰动能力强，能实现最优控制c.能够实现数据统计和工况显示，控制效率高d.控制与管理一体化，进一步提高自动化程度1.6计算机控制系统的发展趋势是什么？大规模及超大规模集成电路的发展，提高了计算机的可靠性和性能价格比，从而使计算机控制系统的应用也越来越广泛。

为更好地适应生产力的发展，扩大生产规模，以满足对计算机控制系统提出的越来越高的要求，目前计算机控制系统的发展趋势有以下几个方面。

a.普及应用可编程序控制器b.采用集散控制系统c.研究和发展智能控制系统2.4数字量过程通道由哪些部分组成？各部分的作用是什么？数字量过程通道包括数字量输入通道和数字量输出通道。

数字量输入通道主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路、并行接口电路和定时计数电路等组成。

数字PID控制系统设计方案如下：一、引言PID控制器是一种常用的闭环控制算法，用于调节系统的输出以使系统稳定在设定值附近。

数字PID控制系统通过数字信号处理器（DSP）或单片机实现PID控制算法，具有灵活性高、易实现和调试等优点。

本文将介绍数字PID控制系统的设计方案，包括硬件连接、软件算法设计和系统调试等内容。

二、硬件设计1. 控制对象：确定待控制的物理对象或过程，例如电机转速、温度、液位等。

2. 传感器：选择合适的传感器获取待控量的反馈信号，如编码器、温度传感器、压力传感器等。

3. 执行器：选择合适的执行器，如电机、阀门等，用于调节系统输出。

4. 控制器：采用DSP或单片机作为数字PID控制器，负责计算PID 控制算法输出并控制执行器。

三、软件算法设计1. PID算法：根据系统特性和需求设计PID控制算法，包括比例项、积分项和微分项的权重和计算方法。

2. 离散化：将连续时间的PID算法离散化，适应数字控制器的运算方式。

3. 反馈控制：读取传感器反馈信号，计算PID输出，并控制执行器实现闭环控制。

四、系统调试1. 参数整定：通过实验和调试确定PID控制器中的比例系数、积分时间和微分时间等参数。

2. 稳定性测试：观察系统响应和稳定性，调整PID参数以提高系统性能。

3. 实时监测：实时监测系统输入、输出和误差信号，确保PID控制器正常工作。

五、性能优化1. 自适应控制：根据系统动态特性调整PID参数，实现自适应控制。

2. 鲁棒性设计：考虑系统模型不确定性和外部扰动，设计鲁棒性PID 控制算法。

3. 高级控制：结合模糊控制、神经网络等高级控制方法，优化系统性能。

六、总结数字PID控制系统设计是一项重要的控制工程任务，通过合理的硬件设计和软件算法实现，可以实现对各种控制对象的精确控制。

希望通过本文的介绍，读者能够了解数字PID控制系统的设计原理和实现方法，并在实践中不断提升控制系统设计和调试的能力。

第7章计算机控制系统的直接设计方法在连续控制系统中，PID控制器以及其它控制器一般来说能够取得满意的响应性能。

PID控制作用的调整只限于调整比例增益，积分增益以及微分增益。

在数字控制系统中，控制算法不限于PID这样的特殊算法。

事实上，数字控制器可以产生无限多种控制作用。

在上一章中，我们讨论了连续域—离散化设计方法。

本章中，我们讨论在离散域（即Z域）数字控制器的直接分析设计方法。

主要内容有：1. 快速系统离散域直接设计所设计出来的控制器，当系统受到特殊类型输入作用时，在有限采样周期内，可以使误差趋于零，也就是说，在尽可能少的采样周期后，误差趋于零并维持零。

计算机控制系统常以多少个采样周期来计时，一个采样周期T称为一拍，所以常把快速系统称为最少拍系统。

因此最少拍系统的性能指标为⑴系统稳定。

⑵对某确定的典型输入信号（如阶跃输入），稳态误差等于零。

这有两种情况：①要求在采样点上稳态误差等于零，采样点之间稳态误差不为零，见图7.1（a）。

②不仅在采样点上，而且在采样点之间稳态误差都等于零,见图7.1（b）。

常把前者称为有纹波系统，后者称为无纹波系统。

⑶在满足以上条件的前提下，系统应以最快速度达到稳态。

2. 慢速系统离散域直接设计所谓慢速系统一般是指被控对象具有大惯性、长滞后的性质。

值得说明的是，随着科学技术的发展，计算机控制系统离散域直接设计方法的研究发展迅速，新方法层出不穷。

相信计算机控制系统的直接设计方法会日渐成熟，得到广泛的应用。

7.1 最少拍数字控制器设计方法我们从最简单的系统设计开始。

本节介绍最少拍数字控制器设计方法是针对被控对象脉冲传递函数是稳定的，且输入信号为单位阶跃函数。

这种方法有直观的物理概念，计算相当简单，调整、反复计算容易。

根据数字控制器的输出序列中的第一个值，即控制量的初值)0(u ，是否人为地加以规定，分两种情况处理：一是控制量的初值)0(u 不加规定；二是控制量的初值)0(u 加以规定。

计算机控制技术复习题、填空题1、通常把叠加在被测信号上的干扰信号称为 ______ 。

2、弱电控制与强电控制之间常用的隔离方式有变压器隔离、继电器隔离和_等。

3、常用的传输介质有双绞线、同轴电缆、 ________ o4、在计算机控制系统中，被测信号有和两种输入方5、信号接地方式应采用方式，而不米用方式。

6、主要的电源干扰包括、、和7、数字程序控制方式有、、。

8、插补计算过程由、、、四个步骤组成9、将D(S)离散化为D(Z)常用方法有__________ 、__________ 、__________ o10、三相步进机的转子为60个齿，定子为3对磁极，工作在三相六拍方式时，则步距角是 ________ 和齿距角是__________ o11、三相步进电机通常有_______ 、 _________ 和_________ 工作方式12、PID控制中对积分项可采取 ______ 、________ 、__________ 和 ________ 四种改进措施。

13、对微分项进行改进主要有_______________ 和____________________ 两种方法。

14、按简易工程法整定PID参数的方法有 ________ 、_______ 和___________ o15、最少拍控制算法有___________ 、____________ 和____________ 三种典型输入信号。

二、选择题1、已知偏差e (k),积分分离阈值B，以下正确的是( )A. 当e(k) > B时，采用PI控制B. 当e(k) > B时，采用PD控制C.当e(k)之时，采用PD控制D.当e(k)叼时，采用PI控制2、设加工第一象限直线OA起点为0( 0,0 )，终点为A (6,3 )，进行插补计算所需的坐标进给的总步数My为( )A.7B.8C.9D.103、已知离散系统脉冲传递函数为：G( Z) = (Z+0.5) /(Z-0.5+j0.5F2, 可知该系统是( )。

1、计算机控制系统的基本框图，并说明各部分的工作。

2、计算机控制系统的典型形式有哪些？说明其优缺点。

①操作指导控制系统优缺点：结构简单，控制灵活安全，特别适用于未摸清控制规律的系统，常常被用于计算机控制系统研制的初级阶段，或用于试验新的数学模型和调试新的程序等，由于最终需要人工操作，故不适用于快速过程的控制。

②直接数字控制系统优缺点：DDC系统中的计算机参加闭环控制过程，它不仅能完全取代模拟调节器，实现多回路的PID调节，而且不需要改变硬件，只需要通过改变程序就能实现多种较复杂的控制规律，如串级控制、前馈控制、非线性控制、自适应控制、最优控制等。

③监督计算机控制系统优缺点：SCC能进行最优控制、自适应控制等，并能完成某些管理工作。

SCC 出现故障时，下级仍可继续执行控制任务。

④分级计算机控制系统优缺点：功能分散，用多台计算机分别执行不同的控制功能，既能进行控制又能实现管理。

3、计算机监督系统SCC中，SCC计算机的作用？在SCC系统中计算机根据工艺参数和过程参量检测值，按照所设计的控制算法进行计算，计算出最佳设定值直接传送给常规模拟调节器或者DDC计算机，最后由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程。

4、DDC系统的最大优点是什么？DDC最大的优点是从参数的采集、传输到控制等各个环节采用数字控制功能来实现。

5、计算机与外部的通信方式分为哪两种，区别是什么？各自的特点？并行通信和串行通信并行通信，传送速度快、信息率高。

并且，通常只要提供二条控制和状态先，称为握手信号线，就能完成CPU 和接口设备之间的协调、应答，实现异步传输。

不适合长距离、多数位的传送。

串行通信，数据按位进行传送的。

在传输过程中，每一位数据都占据一个固定的时间长度，一位一位的串行传送和接受。

6、串行通信从数据传输方向来分，分为哪两种？说明各自的特点？全双工和半双工方式全双工，有二根数据线，串行接口可以同时输入和输出数据，计算机可同时发送和接受数据。